发现基因调控规则的基因组罗塞塔石碑

早在1975年，生物学家就发现黑猩猩与人类基因组的蛋白质编码部分具有99%以上的同一性。然而，黑猩猩和人类在显着方式上明显不同。为什么?答案在于这样一个事实，即如何使用DNA与其说的一样重要。也就是说，构成基因组的基因并不总是被使用。它们可以随时间打开或关闭，也可以向上或向下拨动，并且它们以复杂的方式彼此交互。一些基因编码产生特定蛋白质的指令，而另一些编码关于调节其他基因的信息。

现在，弗雷德(Fred)和南希·莫里斯(Nancy Morris)的生物学与生物物理学教授罗伯·菲利普斯(Rob Phillips)的实验室中的研究人员开发了一种新工具，用于确定普通细菌中各种基因的调控方式。尽管大肠杆菌已经在生物学和生物工程领域用作模型生物数十年，但研究人员了解到只有约35%的基因具有调控作用。菲利普斯实验室的新方法阐明了近100种以前未表征的基因是如何受到调控的，并为研究许多其他基因奠定了基础。

描述该新技术的论文发表在eLife杂志上。

想象一下，您可以阅读某种新语言的字母和标点符号，但您无法理解单个单词的含义或语法规则。您可以阅读一本书并识别您阅读的每个字母，而无需理解句子或段落在说什么。这类似于现代基因组学时代生物学家所面临的挑战：现在对生物体的基因组进行测序是快速而直接的，但是实际上了解每个基因是如何调控的却更加困难。对基因调控的理解是了解健康和疾病的关键，并且如果我们有一天要重新利用细胞的功能，那么它们就很重要，这样它们就可以执行我们设计的功能。

菲利普斯说：“我们已经开发出一种通用工具，研究人员几乎可以在任何微生物上使用它。” “我们的梦想是像维多利亚·孤儿(詹姆斯·欧文(James Irvine)环境科学与地球生物学教授)这样的人可以下降到海底并携带一些从未见过的细菌，而且我们可以使用它上的工具来确定基因组的序列，但如何调控。”

在这种新方法中，研究人员对基因组进行了系统的扰动，然后观察会发生什么。本质上，在基因组中产生了与印刷错误相当的错误，并且观察到这些印刷错误对细胞功能的影响。例如，如果将单词“ walk”中的字母“ k”替换为字母“ x”以制成“ walx”，则原始单词的意图仍然很清楚。如果将字母“ w”替换为“ t”以产生“通话”，则不是这种情况。这表明字母“ w”带有有关原始单词含义的重要信息。

同样，利用DNA字母对基因组进行更改，可以使研究人员找出对于正确的“含义”而言最重要的字母。

为了验证他们的方法，Phillips及其同事首先检查了研究人员已经知道如何打开和关闭20个特定的大肠杆菌基因。他们的方法正确地表征了这20个基因。接下来，研究小组继续研究了另外80个尚不为人所知的基因，以了解它们的工作原理。

目前，该方法仅用于细菌细胞，但最终Phillips设想能够使用该方法的改进版本来检查更复杂的真核细胞(例如人细胞)。

菲利普斯说：“这是一个由NIH主任先锋奖支持的长达十年的项目，需要持续的努力和资金。” “这是没有快速结果的项目。”

该论文的标题是“解密大肠杆菌的调控基因组，一次可以启动一百个启动子。”